驅(qū)動式多功能助老爬樓機設(shè)計

陳運勝， 李 映

（廣州華立科技職業(yè)學(xué)院， 廣東 廣州511325）

0 引言

據(jù)全國老齡辦的研究報告顯示， 當(dāng)前我國已經(jīng)進入快速老齡化階段，老年人全球人口總數(shù)的20%，已經(jīng)是世界上老年人口最多的國家。 伴隨人口老齡化過程最為顯著的特征就是行動能力下降， 這是身體各方面機能衰退不可避免而造成的。 根據(jù)老年人口數(shù)量預(yù)測的增長趨勢[1]，預(yù)計在2025 年左右，我國60 歲及以上人口數(shù)量將是一個十分龐大的群體，人口規(guī)模會超過3 億。 隨著人口老齡化的增長，助老爬樓設(shè)備也在不斷地發(fā)展更新，呈現(xiàn)出了新特點， 關(guān)注老年人生活方式成為近年來民生討論熱門， 而老年人一般身體行走能力不便且獨自在家無人照顧，上下樓梯比較困難。 目前，老人上下樓梯的主要方式包括廂式電梯、站立式簡易樓道電梯，座椅電梯、爬樓機等。

廂式電梯，運行速度快且可多人乘坐。 但是要想在原本未安裝電梯的居民樓安裝電梯不是一件簡單的事。 首先六層以下的樓房安裝電梯的成本高，電梯安裝率不高。其次，除了安裝費用和維護成本比較高之外，手續(xù)繁雜瑣碎且需要各樓層業(yè)主的意見，在實際操作中，常常又因為各種原因（如：采光、噪聲和費用分攤等）很難達成一致。

站立式簡易樓道電梯，結(jié)構(gòu)相對簡單，相對于廂式電梯安裝成本低，不占空間，使用起來也相當(dāng)簡便。 但是站立式簡易樓道電梯要求人踩在踏板上沿著軌道上下樓，可對于年紀大，思路不太清晰，重心不穩(wěn)的老年人來說，站立式簡易樓道電梯還是存在一定風(fēng)險的。 另外，此類電梯不適用于不方便站立的老年人。

座椅電梯，是一種在樓梯側(cè)面運行的電梯，用來幫助行動不方便的人上下樓梯。 老年使用者可坐在椅子上，沿著軌道輕松上下樓。 相對來說，座椅電梯安裝相對廂式電梯安裝費用較低； 相對站立式簡易樓道電梯更適合腿腳不便的老年人，且安全性較高。

但是，廂式電梯、站立式簡易樓道電梯、座椅電梯這3種方式都要求在使用場景預(yù)先安裝好設(shè)備， 對于在某些沒有安裝好助老助殘爬樓設(shè)備的樓道就是一個難題。 爬樓機則在這類使用場景中具有較大的優(yōu)勢。

目前市面上的助老爬樓機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝難度大、維修機率大、安全性能低、成本高降低了社會利用率、操作過于復(fù)雜、實用價值低、功能單一、設(shè)計不合理、體型笨重龐大等問題有時無法進行工作。 目前， 隨著人們的出行次數(shù)的增多，在各個商場、酒店等等地方，樓梯的設(shè)置必不可少，因此爬樓則無法避免。對于年輕人來說，上下往復(fù)爬樓并無太多的影響，但是對于腿腳不便的老年人而言，爬樓則相當(dāng)?shù)睦щy，為此，輔助老年人爬樓的設(shè)備則成為了市場的需求。

1 助老爬樓機研究現(xiàn)狀

在國外的一些主要發(fā)達國家對助老爬樓機器人的研究設(shè)計水平走在世界的前沿，如美國、日本、德國等發(fā)達國家。 研究設(shè)計人員利用多種理論知識與實物結(jié)構(gòu)相結(jié)合， 研究設(shè)計出形式多樣的助老爬樓機器人或者爬樓設(shè)備，他們研究的產(chǎn)品相對成熟，且大部分已經(jīng)投入市場進行使用[2-4]。 比如日本早稻田大學(xué)高西淳夫教授團隊研究設(shè)計了能用于爬樓的步行機器人， 長崎大學(xué)機械工程系研究的一種高階爬樓梯裝置， 這種爬樓梯的設(shè)備裝置是由行星輪和連桿機構(gòu)兩部分構(gòu)成， 裝置前后設(shè)計兩組行星輪， 運動時整個裝置是通過行星輪和連桿機構(gòu)共同作用來完成爬樓梯動作的， 爬樓裝置通過陀螺儀能感知傾角， 整個裝置的平衡是靠座椅下面的液壓桿可自動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。這樣的設(shè)計不僅能爬比較高的樓梯，在平地運行時液壓桿折疊到爬樓輪椅裝置的最底部， 大量的運行空間就這樣節(jié)約了。 它的最大優(yōu)點就是體現(xiàn)在可以爬很高樓梯，甚至它可以很輕松地從地面跨上一輛小貨車[5-6]。我國對能夠攀爬樓梯的裝置或機器人研究起步較晚，目前雖然也有很多爬樓機器人方面的相關(guān)發(fā)明專利， 但是只有很少部分投入市場使用。 對這類爬樓機的研究設(shè)計主要來自于一些國內(nèi)大學(xué)， 比如河北工業(yè)大學(xué)研制設(shè)計的兩足并聯(lián)腿步行機器人， 上海交通大學(xué)研制設(shè)計的兩足步行椅機器人， 還有燕山大學(xué)研制設(shè)計的步行機器等等，一般處于實驗室階段，市場投入應(yīng)用極少[7]。

2 爬樓機的分類與分析

綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀， 爬樓機主要分為載物爬樓機和載人爬樓機。

載物爬樓機有支腿式爬樓機的執(zhí)行結(jié)構(gòu)， 適合用于載重低于250kg，操作靈活體驗好，速度快。執(zhí)行起來類似于推臂式爬樓機，兩個支腿向下支撐在本級臺階上，然后將整個車體和貨物抬升到高一級臺階。 最好是有經(jīng)驗的人進行操作。還有一種執(zhí)行機構(gòu)是履帶式的，其結(jié)構(gòu)類似于坦克的履帶。 履帶比較長， 可以同時覆蓋2 個臺階以上，依靠兩條履帶的滾動實現(xiàn)爬樓機的移動，從而實現(xiàn)進行上下樓梯的移動。 一般履帶式爬樓機適用于載重在250kg 以上的貨物。

目前載人爬樓機基本可以分為以下四種類型： 步行式機構(gòu)載人爬樓機、履帶式機構(gòu)載人爬樓機、輪組式機構(gòu)載人爬樓機、步進支撐式機構(gòu)載人爬樓機。分別對國內(nèi)外載人爬樓機研究情況進行分析如下：

步行式機構(gòu)載人爬樓機主要由機械連桿機構(gòu)組成，其運動原理是模仿人類爬樓梯時候的動作。 裝置在運動的時候是依次一只腳抬高以及臺階然后向前水平移動，平穩(wěn)著地后再換另一只腳， 如此重復(fù)動作完成整個爬樓梯的過程。 對步行式機構(gòu)爬樓機的研究方向主要是步行機器人。 例如： 日本長崎大學(xué)研究的一種高階爬樓梯裝置，還有上海交通大學(xué)研制的雙足步行椅機器人，河北工業(yè)大學(xué)研究的雙足并聯(lián)腿步行機器人。

步行式機構(gòu)載人爬樓機有很多優(yōu)點：一是爬樓運動相對平穩(wěn)； 二是能夠自適應(yīng)多種不同高度不同樣式的樓梯。當(dāng)然，步行式機構(gòu)爬樓機還有很多不足的地方：首先要自適應(yīng)多種不同高度不同樣式的樓梯，就對控制系統(tǒng)要求較高。其次這個動作相對比較緩慢，爬樓周期較長。在運動過程中，整體重心是偏上的，容易出現(xiàn)側(cè)傾。這些不足之處也使得目前使用步行式機構(gòu)載人爬樓機的人較少。

履帶式機構(gòu)載人爬樓機， 其結(jié)構(gòu)與履帶式機構(gòu)載物爬樓機類似。大多屬于電動驅(qū)動的爬樓機。結(jié)構(gòu)相對比較簡單，工作原理是電動機帶動履帶輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)履帶在轉(zhuǎn)動，較長的履帶與樓梯接觸實現(xiàn)爬樓。 日本長崎大學(xué)設(shè)計了一款名為“Sakadakun”的雙履帶電動爬樓機，可以進行角度調(diào)整。 英國一公司開發(fā)了履帶式爬樓機“Baronmead”，其特點是運動速度比較快，大約3s 能完成一個臺階。 中國也有很多學(xué)者設(shè)計者研究履帶式爬樓機，并且申請了專利。

輪組式機構(gòu)載人爬樓機， 主要由行星輪和行星支架組成。各小輪可以繞著各自的中心轉(zhuǎn)動，也可以繞著行星支架的中心轉(zhuǎn)動。輪組式機構(gòu)載人爬樓機在爬樓梯時，小輪繞著大輪公轉(zhuǎn)。 在平地運動時，小輪可以進行自轉(zhuǎn)。 輪組式機構(gòu)載人爬樓機適合爬樓梯， 也適合轉(zhuǎn)為平地平穩(wěn)地行走。 但是，輪組式機構(gòu)載人爬樓機的結(jié)構(gòu)相對比較笨重，且占用空間較大，影響其應(yīng)用范圍。豐田推出可攀爬樓梯的iBot 機械輪椅，但是其昂貴的造價，讓很多普通家庭望而卻步。

步進支撐式機構(gòu)載人爬樓機， 是在普通輪椅上加裝的實現(xiàn)爬樓梯動作的輔助設(shè)備。這樣可以降低生產(chǎn)成本，也方便攜帶，在爬樓梯行業(yè)中受到廣泛的應(yīng)用。

3 驅(qū)動式多功能助老爬樓機結(jié)構(gòu)組成及特點

綜合分析目前爬樓機的優(yōu)缺點： 有些安全性高的助老爬樓機，結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本隨之較高，而有些助老爬樓設(shè)備結(jié)構(gòu)單一， 在升降爬樓過程中尤其是登上或是登下升降臺時，安全性低，容易跌倒等問題。 在研究各類爬樓機結(jié)構(gòu)特點以及適用場合的前提下， 本課題研究設(shè)計了一種驅(qū)動式多功能助老爬樓機[8]。

圖1 是一種驅(qū)動式多功能助老爬樓機， 主要部件包括支撐架、電機、線輥、拉繩、定滑輪、側(cè)支架、橫架、升降臺、滑座、橫桿、靠背板、開口、扶手桿、電磁鐵、旋轉(zhuǎn)臺、固定桿、環(huán)形槽、控制器等。支撐架平行安裝于樓道上，支撐架上設(shè)置升降臺， 升降臺可經(jīng)由驅(qū)動模塊的控制沿支撐架的長度方向升降滑動， 升降臺的上端設(shè)置環(huán)形的靠背板，靠背板的一側(cè)設(shè)置開口，開口內(nèi)鉸接扶手桿，扶手桿的自由端與開口的另一端通過電磁鐵磁吸固定， 電磁鐵與驅(qū)動模塊電連接，升降臺內(nèi)設(shè)置電控的旋轉(zhuǎn)臺，旋轉(zhuǎn)臺上設(shè)置固定桿， 升降臺上對應(yīng)固定桿的位置設(shè)置相配合的環(huán)形槽，環(huán)形槽與靠背板上下對應(yīng)，固定桿穿出環(huán)形槽與靠背板連接固定。

圖1 驅(qū)動式多功能助老爬樓機結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動模塊由控制器構(gòu)成，控制器與電磁鐵電連接，支撐架上設(shè)置電機，電機與控制器電連接，電機上驅(qū)動連接線輥，線輥上繞設(shè)有拉繩，支撐架的兩端設(shè)置定滑輪，拉繩的兩自由端繞過對應(yīng)一側(cè)的定滑輪連接于升降臺上，通過電機驅(qū)動控制線輥的正反轉(zhuǎn)， 使得線輥上的拉繩的兩端呈一收一放又或是一放一收的狀態(tài)， 進而在拉繩的拉動下，控制拉動連接的升降臺沿支撐架上下滑動，實現(xiàn)升降位置的移動調(diào)節(jié)。 并且， 控制器由于電磁鐵電連控制，進而使用電磁鐵的通斷電與電機的啟停相互同步，因此，在電機啟動時，電磁鐵通電，使得扶手桿磁吸固定，避免其誤打開，而在升降位置移動到達相應(yīng)位置后，電機停止，電磁鐵斷電，扶手桿打開，老人可從開口處實現(xiàn)于升降臺上的登上或是登下。

支撐架包括一對側(cè)支架，側(cè)支架通過橫架連接，滑座通過橫桿連接固定，拉繩的兩自由端連接于橫桿的兩側(cè)。升降臺的側(cè)截面呈直三角形狀，頂表面呈水平狀。升降臺上設(shè)置滑座，滑座滑動連接于側(cè)支架上。

4 工作原理

在上升時的登樓時，先控制旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動180°，使得靠背板的開口一側(cè)轉(zhuǎn)動至老人的正面， 進而將扶手桿轉(zhuǎn)動打開，可使得老人直接登上升降臺。然后將扶手桿轉(zhuǎn)動復(fù)位，并控制旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動，使得開口一側(cè)轉(zhuǎn)動至與老人同朝向的位置。然后通過控制器控制電機的啟動，帶動控制升降臺的爬樓。而此時電磁鐵通電，在扶手桿的自由端磁吸固定于開口的另一側(cè)， 以保證老人安全的站立于升降臺內(nèi)。同時，扶手桿也可方便老人的攙扶。相應(yīng)的，在登上高層后，控制器控制電機關(guān)閉，同時電磁鐵斷電，老人將扶手桿推動打開，即可直接走下升降臺。

5 結(jié)束語

這種驅(qū)動式多功能助老爬樓機能夠根據(jù)滿足不同老人身形的需求， 對老人站立在升降臺時的升降爬樓過程中，實現(xiàn)較好的支撐防護，以保證其在升降移動過程中的安全性。易于老人快捷方便登上或是登下升降臺，且爬樓過程中，安全性高。 同時，老年人也可根據(jù)自身選擇手動前進、后退檔位進行運動爬樓，或選擇自動檔進行電動完成驅(qū)動。 驅(qū)動式多功能助老爬樓機結(jié)構(gòu)簡單、 造價成本低、安全系數(shù)高、操作簡單、適用范圍廣。